高铁轴承GCr18Mo套圈贝氏体等温淬火热处理工艺仿真优化研究.pdf
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1、第 20 卷 第 10 期2023 年 10 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 10October 2023高铁轴承GCr18Mo套圈贝氏体等温淬火热处理工艺仿真优化研究杨智勇,刘肃,蔡润丰,李志强,李卫京(北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044)摘要:高铁轴箱轴承作为传动系统的关键部件,服役工况及服役环境复杂。高铁轴承套圈的热处理工艺普遍采用贝氏体等温淬火工艺。贝氏体等温淬火工艺相比于传统的马氏体淬火工艺能够使轴承套圈具有更好的韧性和抗裂纹扩展能力,但耗时更长,生产效率相
2、对较低。为优化国产高铁使用的GCr18Mo轴承套圈的贝氏体等温淬火工艺,开展试验测试轴承钢的热物理参数以及过冷奥氏体等温转变曲线,基于试验测得的轴承钢材料参数,采用DEFORM-HT软件建立了轴承套圈的热处理工艺全流程仿真模型。针对贝氏体等温淬火工艺中的加热温度、等温温度、等温时间和回火温度,采用正交试验法设计16种贝氏体等温淬火工艺仿真方案并进行仿真分析。基于仿真结果,以轴承套圈的贝氏体体积分数和硬度构建优化目标函数,结合蒙特卡洛法和复合形法对工艺参数进行线性回归分析及优化,在优化得出的工艺参数范围内开展3组验证性热处理试验。结果表明:基于试验测得的轴承钢材料参数建立的热处理仿真模型具有较高
3、的准确性。经验证试验后,3组轴承套圈的贝氏体体积分数和硬度均满足行业标准要求,残余奥氏体含量未超过规定数值。优化后的热处理工艺耗时更短,相比最初的贝氏体等温淬火工艺,等温淬火时间缩短37%以上。研究成果可为国内GCr18Mo轴承套圈的贝氏体等温热处理提供有效的工艺参考。关键词:GCr18Mo钢;轴承套圈;贝氏体等温淬火;仿真建模;工艺参数优化中图分类号:U266 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)10-3662-11Optimization of the bainite isothermal quenching heat treatm
4、ent process of GCr18Mo bearing rings for high-speed train based on simulationYANG Zhiyong,LIU Su,CAI Runfeng,LI Zhiqiang,LI Weijing(School of Mechanical and Electronic Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:The high-speed train axlebox bearing is a key componen
5、t of the transmission system,and its service conditions and service environment are complicated.The heat treatment process usually uses a bainitic isothermal quenching process,which enhances the toughness and crack expansion resistance of bearing rings compared with the traditional martensitic quenc
6、hing process.However,the bainitic isothermal quenching process is more time-consuming and reduces productivity.To optimize the bainitic isothermal quenching process of GCr18Mo bearing rings,the bearing steel thermophysical parameters and the time temperature transformation curves were tested.A 收稿日期:
7、2022-10-25基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目(N2022J017);中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2022YJ161)通信作者:杨智勇(1975),男,河北保定人,教授,博士,从事轨道车辆零部件质量控制与服役可靠性研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222005第 10 期杨智勇,等:高铁轴承GCr18Mo套圈贝氏体等温淬火热处理工艺仿真优化研究simulation model of the whole heat treatment process was established by DEFORM-HT soft
8、ware according to the measured material parameters.Sixteen simulation schemes were designed using the orthogonal test method for the heating temperature,isothermal temperature,isothermal time,and tempering temperature in the bainite isothermal quenching process.Then,these simulated schemes were perf
9、ormed using the established model.The optimization objective function was constructed with the bainite volume fraction and the hardness of the bearing rings.Based on the simulations,the linear regression analysis and optimization of the process parameters were carried out by combining the Monte Carl
10、o method and the complex method.Subsequently,three sets of confirmation tests were conducted within the optimized process parameters.The result shows that the simulation model has good accuracy built into the measured material parameters.The bainite volume fraction and hardness of the three sets of
11、bearing rings meet the industry standard requirements after the confirmation tests.Meanwhile,the volume fraction of retained austenite does not exceed the specified value.The optimized heat treatment process is less time-consuming and reduces isothermal quenching time by more than 37%compared to the
12、 initial bainitic isothermal quenching process.This research provides an effective reference for the bainitic isothermal heat treatment of GCr18Mo bearing rings in China.Key words:GCr18Mo steel;bearing rings;Bainite isothermal quenching;simulation modeling;optimization of process parameters 高铁轴箱轴承采用
13、双列圆锥滚子轴承,目前日系轴箱轴承普遍采用渗碳轴承钢套圈,而欧系轴箱轴承则多采用高碳铬钢轴承套圈。相对于渗碳钢轴承,高碳铬钢轴承在价格上具有明显优势。GCr15钢是高碳铬轴承钢中最常见的牌号,具有良好的韧性和弹性,并且淬火后硬度高1。随着列车运行速度的不断提高,轴承承受的载荷及其循环周次逐渐增大,对高碳铬轴承钢的性能提出更高的要求,因此,在 GCr15钢的基础上,通过增加Si,Mn和Mo等元素,进一步提升钢材的淬透性、强度、硬度、耐磨性和碳化物的回火稳定性,形成 了 GCr15SiMn 钢、GCr15SiMo 钢 和 GCr18Mo钢。高铁轴箱轴承在工作时承受了车体的全部重量,同时还受到运行过
14、程中来自各个方向上的载荷作用,工作环境十分恶劣23。加之高碳铬钢轴承在热处理后膨胀量较大,大端和小端膨胀量会存在差异,因此,高碳铬钢轴箱轴承的热处理工艺较普通轴承具有更高的要求。马氏体淬回火工艺是高碳铬钢轴承最常用的热处理工艺,其组织具有硬度高和耐磨性强的特点,同时还有良好的抗接触疲劳性能。但经马氏体淬回火工艺热处理后的轴承整体韧性较低,工件表面会形成残余拉应力,而且会伴有氢脆现象的发生,这使得高碳铬钢轴承在高速动车组等工作环境恶劣的领域中应用时,其使用寿命会明显降低4。大量研究表明,贝氏体组织相较于回火马氏体组织,虽然硬度有所降低,但是韧性和耐磨性都得到了显著增强,具有一定的抗裂纹扩展能力,
15、同时贝氏体组织能够提高轴承钢的屈服强度和抗弯强度,这些优势使得贝氏体等温淬火工艺更适合于高速列车轴承5。德国FAG和瑞典SKF等世界著名轴承企业均对高铁轴承套圈进行贝氏体等温淬火的热处理6。国内自上世纪80年代初开始进行贝氏体等温淬火工艺的基础研究,研发出了更适合于贝氏体等温淬火的GCr18Mo钢种7。张增歧等8对GCr15钢制轴承套圈进行了多种不同的贝氏体等温淬火工艺试验,对其热处理后的组织进行了对比分析,结果表明套圈中贝氏体组织的含量取决于等温时间的长短,等温时间越长贝氏体含量越高,获得全贝氏体组织需要等温4 h左右。张增岐等9经过大量的热处理工艺试验,得出GCrl8Mo钢的最佳热处理工艺
16、参数为淬火温度850865,回火温度 160220;贝氏体等温淬火时,加热温度850875,等温温度 210230 和等温时间4 h。ZHAO等10对高碳铬轴承钢的热处理工艺展开了对比试验,在加热温度和等温温度相同的条3663铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月件下,分别对试样进行了2,6,12和72 h的等温淬火处理,观察处理后的组织形貌,发现组织中的贝氏体体积分数分别为2.1%,40.8%,60.2%和86.6%,表明贝氏体组织的体积分数随等温时间的增加而增多。热处理是一个温度场、组织场以及应力应变场相互作用的复杂过程,很难通过直接观察或者理论计算得出各场的瞬态变化。采用
17、传统的“试错法”进行热处理工艺优化的方法,不仅耗时长、成本高,而且很可能达不到预期的结果。随着计算机技术的不断发展,数值模拟技术得以应用到热处理工艺试验当中。以大量的试验数据为基础,加之以计算机超强的计算能力,可以实现对热处理过程中轴承内部温度、组织和应力变化的预测。国内外多采用热处理仿真方法进行 工 艺 优 化 研 究1114。美 国 的 SFTC(Scientific Forming Technologies Corporation)公司开发了基于有限元法的 DEFORM-HT软件,实现了对热处理过程中温度、硬度、组织、应力和残余应力等控制变量的仿真分析15。范世超等16应用DEFORM-
18、HT软件对铁路轴承套圈进行了仿真优化,并对套圈的组织性能进行了分析,针对不同换热系数的冷却介质进行仿真分析,得到换热系数对热处理后套圈组织和硬度的影响。潘伟平17利用JMatPro软件计算了 42CrMo 钢的材料参数,利用 DEFORM-HT软件模拟了轴类锻件的淬火过程,仿真结果与试验结果具有较好的一致性。综上所述,针对高碳铬钢的贝氏体等温淬火工艺已经开展了一定的试验和仿真研究,但对高铁轴箱GCr18Mo轴承套圈的贝氏体等温淬火工艺研究相对较少,已有的热处理工艺存在等温时间长和贝氏体转化率偏低的问题。此外,目前仿真中所构建的仿真模型多采用JMatPro计算得出的材料参数,也需要更加准确的实测
19、热物参数进行完善,进一步提高仿真结果的准确性1820。鉴于此,本文以GCr18Mo轴承套圈为研究对象,首先利用 DEFORM-HT构建GCr18Mo套圈热处理全流程仿真模型,并通过仿真结果与测试结果对比验证其准确性。然后,采用正交试验方法设计试验方案,利用仿真模型完成仿真分析,并基于仿真结果,通过蒙特卡洛和复合形优化软件开展贝氏体等温处理工艺参数控制范围的优化研究。最后,选定新工艺方案并完成GCr18Mo套圈的热处理试验和性能测试。1 仿真模型建立与准确性分析基于DEFORM-HT软件,构建了GCr18Mo套圈热处理全流程仿真模型,并通过金相组织、硬度以及残余奥氏体含量的仿真结果与测试结果对比
20、分析,完成了仿真模型准确性的校验。1.1仿真模型建立高铁轴箱轴承外圈的外径为240 mm,考虑轴承套圈的结构特征,为了减少计算时间,提高计算效率,选取套圈的1/24作为计算模型,并去除模型中不影响计算结果精度的倒角和圆孔,利用SolidWorks建模软件建立高碳铬钢轴箱轴承外套圈的三维模型,如图 1(a)所示。将三维模型导入到DEFORM软件中,并进行网格划分。在充分考虑计算效率以及计算结果精度的前提下,采用四面体网格单元,共计 22 176 个节点和 101 788 个单元,如图1(b)所示。DEFORM-HT 软件在模拟相变时,对于扩散型相变普遍应用TTT Curves和Simplifie
21、d这2个公式。其中铁素体、珠光体和贝氏体等相加热后向奥氏体转变采用的是 Simplified 公式,如式(1)所示:A=1-exp A(T-TsTe-Ts)D (1)式中:Ts和 Te为材料奥氏体化开始温度和结束温度;A为奥氏体的体积分数;A和D为材料参数,通常取A=4,D=2。而奥氏体遇冷转变为铁素体、珠光体和贝氏体等的转变均采用TTT Curves公式,如式(2)所示:f=1-exp(-btn)(2)式中:n和b为材料参数,通过后续测得的TTT曲线(过冷奥氏体等温转变曲线)计算得出;f为组织转变量;t为等温时间,s。仿真计算中,通过每种相硬度的加权平均值来估算硬度,如式(3)所示:He=V
22、fiHi(3)式中:He为网格单元硬度值;Vfi为网格单元中相的体积分数;Hi为每种组织的硬度。贝氏体等温淬火常用低温盐浴介质。设置工3664第 10 期杨智勇,等:高铁轴承GCr18Mo套圈贝氏体等温淬火热处理工艺仿真优化研究件外表面为介质的接触面,通过查阅相关文献并结合生产实际情况设置加热炉内的空气与工件之间的换热系数为0.1 N/(smm),自然环境中的空气与工件之间的换热系数为0.02 N/(smm)。由于淬火过程中工件温度变化比较快并且温度范围跨度较大,因此需根据温度不同设置不同的换热系数,盐浴介质与工件间的换热系数如图 2所示21。针对仿真中需要的材料参数,依据测试标准,测试了GC
23、r18Mo钢的化学成分、密度、弹性模量、泊松比、比热容、热扩散系数、导热系数、热膨胀系数。GCr18Mo钢的密度为7.81 g/cm3,其化学成分见表1,表2为不同温度下的热物理性能参数。依据YB/T 1301997标准开展膨胀试验测得GCr18Mo钢的相变温度及TTT曲线,如图3所示。1.2仿真模型准确性校验采用图4所示的高碳铬钢轴承套圈贝氏体等温淬火热处理工艺进行试验,并对热处理后的轴承套圈取样,分别测试硬度、残余奥氏体含量和组织。典型的金相组织如图 5 所示,按照 JB/T 348912017中第 5 级别图评定为贝氏体组织 1级,同时借助专业图像分析软件Image Pro Plus对图
24、片中的贝氏体占比进行定量分析。选中金相图片中黑色针状的下贝氏体组织,计算选中区域的面积分数,将面积分数等价为体积分数22。经软件计算得到轴承套圈的贝氏体体积分数约为95.2%。采用洛氏硬度计测试热处理后套圈的硬度,测试结果见表3。由表3数据可知,套圈硬度分布比较均匀,平均硬度值为60.2 HRC。依据YB/T 53382019标准,采用 X 射线衍射仪测量套圈热处理后残余奥氏体含量。采用五线六对法应用式(4)计算衍射线对累积强度比。V=11+GI()hkl iI()hkl j(4)(a)轴承外圈简化模型(单位:mm);(b)有限元模型图1轴承外圈模型与有限元模型Fig.1Bearing out
25、er ring model and finite element model图2盐浴介质换热系数Fig.2Heat transfer coefficient of salt bath medium表1GCr18Mo钢化学成分Table 1Chemical composition of GCr18Mo steel%C1.04Si0.345Mn0.313S0.001P0.007Cr1.694Ni0.176Mo0.176Cu0.1593665铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月其中:V是试样中相的体积分数,相即面心立方结构的奥氏体;I(hkl)i为试样中相(hkl)i晶面衍射线的累
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